原子核結構 – – 精確計算原子核的結構

原子核結構（精確計算原子核的結構？）

這項新研究為精確計算原子核結構開闢了道路。在一項將實驗研究與超級計算機理論計算相結合的研究中，科學家們確定了硼的兩種同位素的核幾何形狀。這一結果將為科學家精確計算其他原子核的結構開闢一條道路，科學家可以透過實驗驗證這些結構。美國能源部阿貢國家實驗室的研究人員與德國和波蘭的科學家合作，測量硼-10和硼-11之間的核電荷半徑差異。

核電荷半徑表示原子核的大小，原子核的邊緣通常是模糊的。由於中子和質子的數量很大，它們的性質和相互作用必須從量子力學中推匯出來，所以對於比硼大得多的原子，很難精確計算出核電荷半徑。
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原子核理論基於量子色動力學(QCD)，這是一套適用於構成原子核中質子和中子的夸克和膠子的物理規則。然而，由於量子色動力學的複雜性，僅僅用量子色動力學幾乎不可能解決核電的問題，研究人員必須依賴至少一些簡化的假設。

由於硼相對較輕(只有5個質子和少量中子)，研究小組在Mira超級計算機上成功模擬了這兩種硼同位素。透過鐳射光譜學對它們進行了實驗研究。Mira是美國能源部科學使用者設施辦公室阿貢領導計算設施(ALCF)的一部分。領導這項研究的來自氬的核物理學家彼得·米勒說:這是最複雜的原子核之一。這些精確的測量可以透過實驗和理論推導獲得，以觀察硼-11 (11B)和硼-10 (10B)的核構型如何不同。

(博科花園-插圖)硼原子示意圖，照片:艾倫·維斯/阿貢國家實驗室
這涉及在非常小的長度尺度上測量:小於飛兆的百萬分之一米。一個違反直覺的發現。研究人員已經確定，硼-11中的11個原子核實際上比硼-10中的10個原子核佔據更小的體積。為了開展硼同位素的實驗研究，達姆施塔特大學的科學家們對同位素樣品進行了鐳射光譜分析，同位素樣品在不同頻率下發出熒光。物理學家羅伯特·維林加解釋說:雖然熒光模式的差異主要是由於同位素之間的質量差異，但測量中的一個成分反映了原子核的大小。

為了分離這些成分，華沙大學和波茲南亞當·米奇維茨大學的合作者進行了最先進的原子理論計算，精確地描述了五個電子圍繞硼原子核的複雜運動。早期的電子散射實驗無法確定哪個更大。透過使用鐳射光譜學，我們可以確定額外的中子如何更緊密地與硼-11結合。關於原子核大小的實驗和理論之間的良好一致，使研究人員能夠更有把握地確定同位素的其他特性，如它的衰變率。計算和實驗的能力可以同時驗證和強化其發現。

下一階段的研究可能涉及對硼-8的研究，硼-8不穩定，在衰變前只有大約一秒鐘的半衰期。由於原子核中的中子較少，它的禁閉比它的穩定鄰居小得多，人們認為它的電荷半徑較大。這是一個預測，但只有實驗才能告訴我們，它實際上在多大程度上模擬了這個鬆散結合的系統。其研究結果發表在《物理評論快報》上。